Design of Magneto-logic based on Magnetic-Tunnel-Junction Elements and Verification using Emulation Cell

Abstract

In this thesis, we describe about the design of various magneto-logics based on single-layer magnetic-tunnel-junction(MTJ) elements. Magneto-logic using MTJ elements is one of the promising candidates for universal logic technology, since it can be used to realize both logic circuits and nonvolatile memories. It can implement sequential logic operations without latch because a MTJ element can compute Boolean functions and also store the output results in itself. What is more, it is flexible to implement Boolean expressions, which means that reconfigurable magneto-logics can be realized within the rigid physical architecture of it. We design various magneto-logics such as combinational logic, sequential logic, programmable circuit, and logic module for ACT3 family of FPGAs, which show considerable potential of a MTJ element for programmable arbitrary logic as well as various basic logic. The magneto-logics have been simulated with HSPICE simulator and fabricated using a 0.35μm CMOS technology with four layers of metal. CMOS emulation cell is adopted as a MTJ element for magneto-logic to verify its operation without MTJ fabrication process. The operation of fabricated chip has been verified.;본 논문에서는 근래 자기논리 회로(Magneto-logic)로 활발히 연구되고 있는 단층 입력 구조(Single layer)를 갖는 MTJ(Mangetic-Tunnel-Junction) 소자를 이용하여 설계한 자기논리 회로들에 대하여 기술하고, 이를 바탕으로 구현한 칩의 동작 검증에 대하여 서술하였다. 자체 저장 능력을 갖는 MTJ 소자를 이용하여 구현된 자기논리 회로는 전원이 꺼져도 정보가 그대로 유지되고, 불(Boolean) 연산 수행 시 단순히 입력 신호를 변화시키는 것만으로도 다양한 논리 연산자의 구현이 가능하여 제한된 물리적 구조 안에서 논리 회로를 재구성할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 불 연산을 수행함과 동시에 연산 결과를 MTJ 소자 내에 자체적으로 저장할 수 있기 때문에 단순한 조합논리 회로의 동작뿐만 아니라 순차논리 회로의 기능까지 수행할 수 있어 논리 소자로서의 충분한 잠재력을 보인다. 단층 입력 구조를 갖는 MTJ 소자를 이용하여 조합논리 회로와 순차논리 회로, 프로그램이 가능한 카운터, Actel사의 logic module을 설계함으로써, MRAM(Magnetic Random Access Memory) 소자로 사용되어오던 MTJ 소자를 자기논리 회로에 적용 가능함을 보이고, 나아가 임의의 논리 구현이 가능함을 보였다. 설계한 자기논리 회로들을 HSPICE를 이용하여 시뮬레이션 하였고, 4-metal을 사용하는 0.35㎛ CMOS 공정으로 칩을 구현하였다. MTJ 공정 없이 회로 동작을 확인하기 위해 MTJ cell을 CMOS emulation cell로 대체하였으며, 테스트를 통해 칩 동작의 안정성을 검증하였다.